防雷接地与等电位探讨

第32卷 第4期气象与环境科学

V o.l 32N o .42009年11月

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N ov .2009

收稿日期:2009-02-27;修订日期:2009-05-20

作者简介:黄声锦(1979 ),男,福建漳州人,助理工程师,学士,从事防雷工作.E m ai:l dongf enghuaxu123@163.co m

防雷接地与等电位探讨

黄声锦,林溪猛,陈仁梅,卢辉麟

(漳州市气象局,福建漳州363000)

摘 要:建筑物内部用电设备采取等电位与接地措施后,很多设备仍然遭受雷击损坏,本文通过对SPD 间接地线产生的过电压与等电位关系、接地线在高频雷电流作用下产生的过电压及其布置不合理所产生的电磁兼容等问题进行分析,并提出相应的解决措施,为今后该类工程的设计提供参考。

关键词:配电接地等电位;设备接地等电位;电磁兼容

中图分类号:TU 856 文献标识码:A 文章编号:1673-7148(2009)04-0088-04

引 言

接地与等电位是现代防雷技术中的重要措施,不仅用来减少雷电流引起的电位差,还为雷电流提供一条释放到大地的路径。等电位连接一般要与防雷接地连接在一起,共同起到防雷作用。等电位连

接与接地是两种保证电气安全的理论及措施,我国过去强调的是接地,而I E C (国际电工委员会)强调的是等电位连接,并引入我国国家标准中。电气设备采用接地与等电位保护时,也保护了人身安全。由于不同土壤有不同的电阻率,有时花费很大的力气做接地装置,接地电阻却很难降下来,而实施等电位连接可在很大程度上避免土壤电阻率的影响,并

且对接地电阻的要求也可以降低[1]

。

1 配电SPD 系统的接地等电位分析

雷击避雷针、避雷带、电源线、信号线产生感应过电压(过电流)的现象经常发生。图1中,假设电源线上传输进来5kA 的雷电流(10/350 s),同时假定电源避雷器性能优良,其响应时间和导通后的

残压不会损坏电子设备,雷电流经避雷器进入接地点G 1入地;接地电阻R 1=1 、R 2=1 且互为独立接地。雷电流I 流过接地电阻R 1时,接地点G 1的地电位将抬升为U G 1=I R 1=5kV 。该电位U G 1此时会加到电源的输入端,而该电子设备的接地点G 2为零电位,则电源输入端与入地点G 2之间的电

位差为5kV 。由于电子设备开关电源能耐受的最高电压为800 1500V (10/350 s),因此5kV 的电压波加到M G 2两端时,设备的电源端将被过电压损坏(规范中对配电线路需要被保护的电子信息设备的耐冲击电压的额定值不大于1.5kV )。为了避免该设备端遭雷击损坏,应将接地点G 1与G 2相连。目前相关规范[2]

中提到的电子信息系统设备由TN 交流配电系统供电时,配电线路必须采用TN S 系统的接地方式,

也与以上分析相符。

图1 配电系统的接地等电位分析

在实际中也经常有类似事件发生。2008年5月漳州市区发生强雷电、暴雨天气,很多用户的用电

设备遭雷击损坏。应邀请,我们仔细勘察了漳州交警检测站、漳州水文观测站、市烟草公司等雷击现场,这3个单位的电源进线部分均采取架空直接引入,其中损坏部分均是弱电设备(交警检测站检测

第4期

黄声锦等:防雷接地与等电位探讨设备中的弱电控制系统因雷击损坏,水文观测站水位测量控制设备主板被雷击损坏,烟草公司计算机网络中心机房大部分机柜设备因雷击损坏)。由于以上3个单位的配电供电方式均未采取TN 系统敷设,线路中PE 线、N 线等接地装置互相独立,因此当雷电流通过线路时,造成了过电压对设备的损坏

[3-4]

。

2 直击雷接闪下设备的等电位与连接措施

图2为建筑物受直击雷时室内设备感应过电压的示意图。图中A 、B 是处在不同楼层的电子设备;S A 、S B 为各设备之间互相通信的信号线;G 1为不同楼层建筑物内部引下线;L A 、L B 为设备供电线路;R S

为设备工作接地,R G 为建筑物防雷接地;G A 、G B 为设备工作接地在主杆线上的接地点;P L 、P A 分别为

电源避雷器和信号避雷器。

图2 雷击建筑物时设备接地与等电位连接

在旧楼防雷改造中,由于大楼未采取柱筋作防雷引下线,雷电接闪后,雷电流会沿其专用引下线向地网泄放。现假定雷电直接打在建筑物楼顶避雷带上,入地雷电流I =100kA,R G =1 、R S =1 。此时,G 1、G 2所处的各楼层的电位都将抬升100kV,如果G A 与防雷地不相连接,就可能会发生设备工作地线与建筑物楼板打火的现象(反击),因为100kV 的电位差可击穿的空气距离达300 500mm (由当时

的空气绝缘程度而定)[5]

。如果R G 与R S 相距较远(如20m 以上),设备工作接地线与楼板、墙壁绝缘较好,地电位的抬升不足以击穿设备工作地线(这时,就不一定非要做等电位连接)。但雷击时,若工作人员刚好与设备机壳相接触,人身体上的某一部位又与地板或墙壁等相接触(特别是人处在卫生间中淋浴时,且卫生间只做局部等电位),雷电将会流

过人体进入设备工作接地,人身将受到伤害(福建厦门就有此类现象引发人员伤亡事故的发生)。当过电压事件发生后,若高电位进入设备击穿设备的电源端或信号端口,雷电流从电源线或信号线流出,构成了雷电流回路,使设备受到损坏。为避免以上情况发生,应将R G 防雷地与R S 设备工作地做共地等电位连接(R G 与R S 最好应保持一定距离),消除雷击电位差。现在的大多数建筑物在防雷设计上通常借助柱筋作为防雷引下线,接闪后,雷电流会沿着接地柱筋向地网泄放,因此雷电流在地网产生的过电压会形成分布式状态,从而降低各根接地引下线产生的瞬间过电压幅值。计算引下线过电压值时,应考虑以上因素。

若当等电位连接不合理时,电子设备系统更容易遭受雷击损坏。以下就地线阻抗产生过电压干扰进行阐述。

导线的电阻与阻抗是两个不同的概念。电阻通常是在直流状态下导线对电流呈现的阻碍作用;而阻抗通常指的是交流状态下导线对电流的阻抗,地线的阻抗Z 主要是由导线的电感引起的。导线的电阻分

为交流电阻R AC 和直流电阻R DC ,公式如下[6]

:

Z =R AC +j L R AC =0.76r f 1/2R DC L =0.2c[ln (4.5/d )-1]

R D C =! n /S

式中:r 为导线的半径(m );d 为导线的直径(m );f 为流过导体的电流频率;c 为导体的长度(m );L 为

导线的电感( H );!为材料的电阻率,铜的电阻率

为0.017 mm 2

/m ;n 为导线长(m );S 为导线的横截面积(mm 2

)。任何导线都有电感,当频率较高

时,导线的阻抗远大于直流电阻,表1说明了高频交流下导线阻抗与导线电阻的巨大差异(表1中铜导线的长度为1m )。

表1 导线在不同频率下的阻抗

频率/H z d =12(mm )d =8(mm )d =4(mm)d =2(mm )

1k 3.56 10-35.46 10-39.94 10-31.35 10-210k 3.56 10-25.42 10-29.98 10-21.36 10-1

1M 3.535.419.9513.650M 177.8271.4497.5

675100M

355.8

542.6

996.2

1370

当频率很低时,可以认为阻抗是导体的电阻,随着频率的升高,阻抗增加很快。当频率达到100MH z 时,直径8mm 、长度仅为1m 的铜导线也有数

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